Όσον αφορά το μέλλον της εξερεύνησης του διαστήματος, μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις είναι να συναντήσουμε κινητήρες που μπορούν να μεγιστοποιήσουν την απόδοση, ενώ ταυτόχρονα διασφαλίζουν την απόδοση καυσίμου. Αυτό δεν θα μειώσει μόνο το κόστος μεμονωμένων αποστολών, αλλά θα διασφαλίσει ότι το ρομποτικό διαστημικό σκάφος (και ακόμη και το πλήρωμα διαστημικό σκάφος) μπορεί να λειτουργήσει για παρατεταμένες χρονικές περιόδους στο διάστημα χωρίς να χρειάζεται να ανεφοδιαστεί.
Τα τελευταία χρόνια, αυτή η πρόκληση οδήγησε σε μερικές πραγματικά καινοτόμες ιδέες, μία από τις οποίες δημιουργήθηκε πρόσφατα και δοκιμάστηκε για πρώτη φορά από μια ομάδα της ESA. Αυτή η ιδέα του κινητήρα αποτελείται από ένα ηλεκτρικό προωθητήρα που είναι ικανό να «σπρώχνει» σπάνια μόρια αέρα από τις κορυφές της ατμόσφαιρας και να τα χρησιμοποιεί ως προωθητικό. Αυτή η εξέλιξη θα ανοίξει το δρόμο για όλα τα είδη δορυφόρων που μπορούν να λειτουργούν σε πολύ χαμηλές τροχιές γύρω από πλανήτες για χρόνια κάθε φορά.
Η ιδέα ενός αεροθάλαμου αναπνοής (γνωστός και ως Ram-Electric Propulsion) είναι σχετικά απλή. Εν ολίγοις, ο κινητήρας λειτουργεί με τις ίδιες αρχές με ένα ramscoop (όπου το διαστρικό υδρογόνο συλλέγεται για την παροχή καυσίμου) και μια μηχανή ιόντων - όπου τα συλλεγόμενα σωματίδια φορτίζονται και εξάγονται. Ένας τέτοιος κινητήρας θα καταργούσε το προωθητικό επί του σκάφους λαμβάνοντας ατμοσφαιρικά μόρια καθώς περνούσε από την κορυφή της ατμόσφαιρας ενός πλανήτη.
Η ιδέα ήταν το αντικείμενο μιας μελέτης με τίτλο «RAM Electric Propulsion for Low Earth Orbit Operation: an ESA Study», η οποία παρουσιάστηκε στο 30ο Διεθνές Ηλεκτρικό Πρόγραμμα Προώθησης το 2007. Η μελέτη υπογράμμισε πώς «Οι δορυφόροι τροχιάς χαμηλής γης υπόκεινται σε ατμοσφαιρική σύρετε και έτσι η διάρκεια ζωής τους περιορίζεται με τις τρέχουσες τεχνολογίες προώθησης από την ποσότητα του προωθητικού που μπορούν να μεταφέρουν για να αντισταθμίσουν αυτό. "
Οι συγγραφείς της μελέτης ανέφεραν επίσης πώς οι δορυφόροι που χρησιμοποιούν ηλεκτρική πρόωση υψηλής ειδικής ώθησης θα μπορούσαν να αντισταθμίσουν την έλξη κατά τη λειτουργία χαμηλού υψομέτρου για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αλλά όπως καταλήγουν, μια τέτοια αποστολή θα περιοριζόταν επίσης στην ποσότητα καυσίμου που θα μπορούσε να μεταφέρει. Αυτό συνέβαινε σίγουρα για το πεδίο βαρύτητας του ESA και τον δορυφόρο χαρτογράφησης βαρύτητας Ocean Circulation Explorer (GOCE),
Ενώ η GOCE παρέμεινε σε τροχιά της Γης για περισσότερα από τέσσερα χρόνια και λειτούργησε σε υψόμετρα τόσο χαμηλά όσο 250 km (155 mi), η αποστολή της τελείωσε τη στιγμή που εξάντλησε την τροφοδοσία ξένου 40 κιλών (88 lbs) ως προωθητικό. Ως τέτοια, έχει επίσης διερευνηθεί η έννοια ενός συστήματος ηλεκτρικής πρόωσης που χρησιμοποιεί ατμοσφαιρικά μόρια ως προωθητικό. Όπως εξήγησε ο Δρ Louis Walpot του ESA σε δελτίο τύπου του ESA:
"Αυτό το έργο ξεκίνησε με ένα νέο σχέδιο για τη λήψη μορίων αέρα ως προωθητικό από την κορυφή της ατμόσφαιρας της Γης σε υψόμετρο περίπου 200 km με τυπική ταχύτητα 7,8 km / s."
Για την ανάπτυξη αυτής της ιδέας, η ιταλική αεροδιαστημική εταιρεία Sitael και η πολωνική αεροδιαστημική εταιρεία QuinteScience συνεργάστηκαν για να δημιουργήσουν ένα νέο σχεδιασμό εισαγωγής και ώθησης. Ενώ η QuinteScience δημιούργησε μια πρόσληψη που θα συλλέγει και θα συμπιέζει τα εισερχόμενα ατμοσφαιρικά σωματίδια, η Sitael ανέπτυξε μια ώθηση δύο σταδίων που θα φορτίσει και θα επιταχύνει αυτά τα σωματίδια για να δημιουργήσει ώθηση.
Στη συνέχεια, η ομάδα πραγματοποίησε προσομοιώσεις υπολογιστών για να δει πώς τα σωματίδια θα συμπεριφερόταν σε μια σειρά επιλογών πρόσληψης. Αλλά στο τέλος, επέλεξαν να πραγματοποιήσουν ένα τεστ πρακτικής για να δουν αν η συνδυασμένη πρόσληψη και ώθηση θα λειτουργούσαν μαζί ή όχι. Για να γίνει αυτό, η ομάδα το δοκίμασε σε θάλαμο κενού σε μία από τις εγκαταστάσεις δοκιμών του Sitael. Ο θάλαμος προσομοίωσε ένα περιβάλλον σε υψόμετρο 200 km ενώ μια «γεννήτρια ροής σωματιδίων» παρείχε τα επερχόμενα μόρια υψηλής ταχύτητας.
Για να παρέχει μια πληρέστερη δοκιμή και να βεβαιωθείτε ότι η ώθηση θα λειτουργήσει σε περιβάλλον χαμηλής πίεσης, η ομάδα ξεκίνησε με την ανάφλεξή της με προωθητικό ξένου. Ο Walpot εξήγησε:
«Αντί να μετρήσουμε απλώς την προκύπτουσα πυκνότητα στον συλλέκτη για να ελέγξουμε τη σχεδίαση εισαγωγής, αποφασίσαμε να συνδέσουμε ένα ηλεκτρικό προωθητήρα. Με αυτόν τον τρόπο, αποδείξαμε ότι θα μπορούσαμε πράγματι να συλλέξουμε και να συμπιέσουμε τα μόρια του αέρα σε ένα επίπεδο στο οποίο θα μπορούσε να λάβει χώρα η ανάφλεξη του προωθητήρα και να μετρήσουμε την πραγματική ώθηση. Αρχικά, ελέγξαμε ότι η ώθηση μας μπορεί να αναφλεγεί επανειλημμένα με το ξένον που συγκεντρώθηκε από τη γεννήτρια δέσμης σωματιδίων. "
Ως επόμενο βήμα, η ομάδα αντικαθιστά εν μέρει το ξένον με ένα μείγμα αέρα αζώτου-οξυγόνου για να προσομοιώσει την ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης. Όπως ελπίζαμε, ο κινητήρας συνέχισε να ανάβει και το μόνο πράγμα που άλλαξε ήταν το χρώμα της ώσης.
«Όταν το μπλε χρώμα του λοφίου του κινητήρα με βάση το ξένον άλλαξε σε μωβ, ξέραμε ότι θα τα καταφέραμε», δήλωσε ο Δρ Walpot. «Το σύστημα τελικά αναφλέχθηκε επανειλημμένα μόνο με ατμοσφαιρικό προωθητικό για να αποδείξει τη σκοπιμότητα της έννοιας. Αυτό το αποτέλεσμα σημαίνει ότι η ηλεκτρική πρόωση που αναπνέει τον αέρα δεν είναι πλέον απλώς μια θεωρία, αλλά μια απτή, λειτουργική ιδέα, έτοιμη να αναπτυχθεί, για να χρησιμεύσει μια μέρα ως βάση μιας νέας κατηγορίας αποστολών. "
Η ανάπτυξη ηλεκτρικών προωθητών που αναπνέουν αέρα θα μπορούσε να επιτρέψει μια εντελώς νέα κατηγορία δορυφόρων που θα μπορούσε να λειτουργεί με τα περιθώρια του Άρη, του Τιτάνα και άλλων σωμάτων ατμόσφαιρα για χρόνια κάθε φορά. Με αυτόν τον τύπο επιχειρησιακής διάρκειας ζωής, αυτοί οι δορυφόροι θα μπορούσαν να συλλέξουν όγκους δεδομένων σχετικά με τις μετεωρολογικές συνθήκες αυτών των οργανισμών, τις εποχιακές αλλαγές και την ιστορία των κλιματικών τους συνθηκών.
Τέτοιοι δορυφόροι θα ήταν επίσης πολύ χρήσιμοι για την παρατήρηση της Γης. Δεδομένου ότι θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σε χαμηλότερα υψόμετρα από τις προηγούμενες αποστολές, και δεν θα περιορίζονταν από την ποσότητα του προωθητικού που θα μπορούσαν να μεταφέρουν, οι δορυφόροι που είναι εξοπλισμένοι με προωθητήρες αναπνοής αέρα θα μπορούσαν να λειτουργούν για παρατεταμένες χρονικές περιόδους. Ως αποτέλεσμα, θα μπορούσαν να προσφέρουν πιο εμπεριστατωμένες αναλύσεις για την Κλιματική Αλλαγή, και να παρακολουθούν στενότερα τα μετεωρολογικά πρότυπα, τις γεωλογικές αλλαγές και τις φυσικές καταστροφές.
